JavaScript - 事件循环

前言

JavaScript是一门单线程非阻塞的脚本语言。

单线程意味着javascript代码在执行的任何时候,都只有一个主线程来处理所有的任务。

非阻塞则是当代码需要进行一项异步任务(无法立刻返回结果,需要花一定时间才能返回的任务,如I/O事件)的时候,主线程会挂起这个任务,然后在异步任务返回结果的时候再根据一定规则去执行相应的回调。

那为什么JavaScript是单线程呢?是因为JavaScript最开始的执行环境是在浏览器中,而我们需要进行各种各样的dom操作。如果JavaScript是多线程的,那么当两个线程同时对dom进行一项操作,例如一个向其添加事件,而另一个删除了这个dom,那程序就会出现问题。因此,JavaScript只能用一个主线程来执行代码,这样就保证了程序执行的一致性。

但是,单线程虽然保证了程序执行顺序但是也限制了JavaScript的效率,因此H5中新增了web worker技术。这项技术可以让JavaScript多线程运行。然而,使用web worker技术开的多线程有着诸多限制,例如:所有新线程都受主线程的完全控制,不能独立执行。这意味着这些“线程” 实际上应属于主线程的子线程。另外,这些子线程并没有执行I/O操作的权限,只能为主线程分担一些诸如计算等任务。所以严格来讲这些线程并没有完整的功能,也因此这项技术并非改变了JavaScript语言的单线程本质。

而JavaScript的另一个特点是非阻塞,而非阻塞是因为事件循环机制(event loop)。

本文主要讲的是浏览器环境下的事件循环而非node环境下的,两个环境下的事件循环之间存在差异

事件循环

先来一段代码:

console.log("start");

setTimeout(function () {
    console.log("setTimeout");
}, 1000);

console.log("end");

//运行后的结果如下:
//start
//end
//setTimeout

在控制台中运行上述代码,我们可以看出先输出“start”和"end",然后大约1秒后输出"setTimeout"。代码并有在1s中之后才输出“end”,而是立即输出。这是因为setTimeout方法是一个异步的函数。也就是说代码中设置了一个异步延时函数时,代码并不会阻塞,只会在浏览器的事件表中进行记录,代码会继续执行下去。但延时的时间结束后,事件表会将setTimeout的回调函数添加至事件队列(task queue)中,事件队列拿到了任何后便将任何压入到执行栈(stack)中,然后执行栈执行任务,输出"setTImeout"。

现在,对上面的代码进行一些修改:

console.log("start");

setTimeout(function () {
    console.log("setTimeout");
}, 0); //这里延时改为了0

console.log("end");

//运行后的结果如下:
//start
//end
//setTimeout

在代码中我们将延时时间改为0,但是输出的结果并没有改变。这是因为setTimeout的回调函数只是被添加到事件队列(stack queue)中,但是不会立即执行。因为当前的执行栈中还有任务没有执行结束,所以setTimeout任务还在排队,直到”end“输出后,当前的执行栈中任务执行完毕,执行栈为空,这时候JS引擎便会检查事件队列,把setTimeout任务压入执行栈中执行。

根据上面的代码我们知道,js引擎遇到一个异步事件后并不会一直等待其返回结果,而是会将这个事件挂起,继续执行执行栈中的其他任务。当一个异步事件返回结果后,js会将这个事件加入与当前执行栈不同的另一个队列,我们称之为事件队列。被放入事件队列不会立刻执行其回调,而是等待当前执行栈中的所有任务都执行完毕,主线程处于闲置状态时,主线程会去查找事件队列是否有任务。如果有,那么主线程会从中取出排在第一位的事件,并把这个事件对应的回调放入执行栈中,然后执行其中的同步代码,如此反复,这样就形成了一个无限的循环。这个过程被称为“事件循环(Event Loop)”。

image

上图中的stack表示我们所说的执行栈,Web APIs则是代表一些异步事件,而callback queue即事件队列。

进阶:异步中的Microtasks和Macrotasks

异步任务分为两类:macrotasks(宏任务)和microtasks(微任务,ES2015规范中称为Job) ,所属的API如下:

macrotasks(宏任务):

  • setTimeout

  • setInterval

  • setImmediate

  • requestAnimationFrame

  • I/O

  • UI渲染

microtasks(微任务):

  • process.nextTick

  • promise

  • Object.observe

  • MutationObserver

WHATWG规范:

  • 一个事件循环(event loop)会有一个或多个任务队列(task queue)

  • task queue 就是 macrotask queue

  • 每一个 event loop 都有一个 microtask queue

  • task queue == macrotask queue != microtask queue

  • 一个任务 task 可以放入 macrotask queue 也可以放入 microtask queue 中

  • 当一个任务被放入microtask或者macrotask队列后,准备工作就已经结束,这时候可以开始执行任务了。

根据上面的描述,事件循环的运行机制大概可以分为以下几个步骤:

  1. 检查事件队列是否为空,如果为空,则继续检查;如果不为空,则执行2;
  1. 取出macrotask,压入执行栈;
  1. 执行任务;
  1. 任务执行完后,检查microtask队列,如果不为空则执行里面的任务。如果为空,这执行5;
  1. 检查执行栈,如果执行栈为空,则执行1;如果不为空,则继续检查;

举个例子看是否掌握了:

console.log('start');

setTimeout(function() {
    console.log('setTimeout');
    new Promise(function (resolve) {
        console.log('promise2')
        resolve()
    }).then(function () {
        console.log('then2')
    })
},0);
    
new Promise(function (resolve) {
    console.log('promise1')
    resolve()
}).then(function () {
    console.log('then1')
})

console.log('end');

//运行后的结果如下:
//start
//promise1
//end
//then1
//setTimeout
//promise2
//then2

在控制台中运行上述代码,代码开始运行时,从macrotask queue中取出任务执行,然后输出"start",遇到setTimeout,把setTimeout放入macrotask queue中,继续运行,遇到实例化promise输出"promise1",然后运行resolve(),然后遇到promise.then,放入到microtask queue中,然后输出"end",当前macrotask 执行完了,然后取出microtask queue中的任务,输出"then1"。当前microtask执行完后,在macrotask queue取出下一个macrotask,压入执行栈,输出"setTimeout",然后实例化promise,输出"promise2",然后遇到promise.then,放入到microtask queue中,当前macrotask 执行完了,然后取出microtask queue中的任务,输出"then2"。然后继续检查macrotask queue,如果不为空,则继续取出macrotask。为空则继续检查。

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